一種海洋可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種海洋可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法。所述發射裝置包含船載部分和水下部分，所述兩部分通過萬米深拖纜相互連接，所述船載部分包括大功率發電機、變頻升壓單元和船載甲板監控單元，所述水下部分包括水下拖體、承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙、中性浮力超低阻抗發射天線和附屬配件；所述使用方法包括6個操作步驟。與傳統的海洋可控源電磁發射裝置相比，本發明專利技術所述的海洋可控源電磁大電流發射裝置，發射電流和散熱效率明顯提高，人工場源信號的信噪比明顯增加，因此將進一步為海底以下蘊藏的諸如石油、天然氣、硫化物和天然氣水合物之類礦產資源的探測提供準確詳實的科學數據。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于地球物理勘探領域，具體涉及一種用于海洋的可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法，旨在海底建立大功率時域和頻域人工電磁場，以研究海底礦產資源分布。
技術介紹
自上世紀70年代以來，海洋電磁已逐步發展成為海底油氣資源勘查和基礎地學研究的重要手段，并顯示出明顯的學術價值和經濟效益。深水油氣資源的地球物理探測方法主要依靠海上地震方法。由于海上地震方法僅對反射層界面反應敏感，對層面上部及下伏的物質屬性難以確定，僅依據彈性波參數難以探明復雜的油氣藏，需尋求其他有效的物理參數給予識別，因而，電磁方法受到了關注。以拖曳式為代表的海洋可控源電磁方法（MarineControlledSourceElectromagnetic,MCSEM）和海洋地震聯合應用可有效降低干井率，是目前國際海洋資源探測領域的研究熱點之一。為何人工地震和海洋電磁相結合就能成功提取海底的油氣異常？是因海洋電磁可對采集的信息進行電性成像，解答物質屬性的難題。國外EMGS公司（挪威）和美國Scripps海洋研究所（SIO）研發的半拖曳式海洋電磁系統受限于發射頻率單一和接收機數量有限，導致作業效率和橫向分辨率低，無法實現海底深部復雜構造勘查。加拿大多倫多大學、美國KMS公司研發的單纜全拖曳式的時間域海洋電磁系統采用收發一體和拖曳走航方式，作業效率較高，但是探測深度淺，無法滿足海底深部勘查需求。PGS公司（挪威）研發的大功率分纜拖曳式電磁系統，雖然采用近水面大功率發射，但是由于接收端也置于近水面，導致有用信號衰減明顯，深水區作業受到限制。國內自“十五”以來開展半拖曳式和單纜全拖曳式海洋電磁探測方法與儀器裝備研究，研發了半拖曳式可控源電磁系統、單纜深水拖曳式電場采集系統，但是這些系統發射電流小、探測深度淺、作業效率和分辨率低，難以用于我國深水區復雜地質構造目標體勘探。MCSEM海上作業時，利用船載的深拖纜將電磁發射機施放至近海底(0-50m)并進行低速拖曳，然后通過發射電偶極子（由一條較短的發射電纜和發射電極，一條較長的發射電纜和發射電極組成，發射電極一般為一定長度的空心銅質管狀材料）向海底激發人工源信號（實際勘探時，供電頻率一般為0.1-10Hz），發射電流一般是100-1250A。由布設在海底的接收機采集感應信息，再經過相應數據處理和反演即可了解海底以下介質的導電性結構。MCSEM通過與其他學科資料相互約束和聯合解釋，對一些埋藏相對較淺且與海底圍巖電阻率有差異的油氣資源和天然氣水合物有很好的探測能力。為此，加緊研究、發展海洋可控源電磁探測技術對我國海域海底礦產資源的調查與評價具有重要的意義。在海洋可控源電磁探測過程中，無論哪種工作方式，均需要在海底建立大功率時域和頻域人工電磁場，解決近海底拖曳式大電流發射的關鍵技術問題。本專利技術提出一種發射電流達1500A的海洋可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法，而高壓變流拓撲結構實現1500A量級大電流沖擊脈沖發射，將填補國內該技術在海洋領域的空白。具體地，在進行發射裝置研發過程中，存在如下技術問題：1、若要實現在海底發射1500A的發射電流，需要將船載的電能在復雜海洋環境下長距離、大功率、低損耗地由甲板端傳輸至海下。在海底，經水下變壓器和大功率整流管將交流電整流成直流電，研究利用先進的金屬薄膜電容技術解決封閉環境下的儲能濾波瓶頸，滿足后級大功率時頻發射電路的供電需求。2、在海下實現大電流發射裝置的研發，需要克服耐壓、密封、防腐蝕、散熱等問題。基于多個功率開關器件（IGBT）并聯驅動，實現1500A大電流脈沖的逆變技術，但是逆變過程中會產生大量的熱量，繼續研究優化的散熱結構，將功率器件產生的熱量傳導至艙壁，借助海水散熱。構建全新的發射機拓撲結構，開展可靠性和智能化電磁發射電路設計，形成多頻點的沖擊電流脈沖，并將其導入到海底以下，進而建立大功率的人工電磁激勵場源。3、適用于深水條件下的中性浮力超低阻抗發射天線。海下大電流發射必須基于足夠低的發射電極極間電阻。為使該天線能持續承載1500A的發射電流和保持整個拖曳系統的穩定可靠性，需滿足高抗拉強度和耐壓深度、超低的發射電極間電阻、優化的浮體材料配比等要求。4、船載甲板監控單元通過萬米深拖纜中的光纖與海下的大電流發射裝置進行控制命令和狀態信息的交互。因此，需研發硬件并行實時控制技術，進行裁剪操作系統的移植和硬件驅動程序編寫，才能滿足大電流發射裝置的高穩定性和智能化的控制需求。上述技術問題都是在海底實現可控源電磁大電流發射裝置所面臨的特殊問題，本專利技術正是圍繞這些問題展開研究，攻克上述一系列技術難題，并將各項技術有機結合在一起取得了自主創新，設計了一種海洋可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法。
技術實現思路
為了克服現有海洋可控源電磁發射裝置存在的發射電流小、探測深度淺、作業效率和分辨率低等問題，本專利技術提供一種海洋可控源電磁大電流發射裝置及其使用方法，通過所述裝置和使用方法，可以大幅提升海洋可控源電磁發射的電流值，增加探測深度，提高海底礦藏資源的探測能力和準確度。為實現上述目標，本專利技術采用以下技術方案：一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，包含船載部分和水下部分，所述兩部分通過萬米深拖纜相互連接。其原理框圖如圖1所示。所述船載部分包括大功率發電機、變頻升壓單元和船載甲板監控單元，所述水下部分包括水下拖體、承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙、中性浮力超低阻抗發射天線和附屬配件。其中，所述水下拖體采用耐腐蝕的不銹鋼材料加工制作，其內部安裝有承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙和附屬配件。海洋可控源電磁大電流發射裝置所需的大功率電能來自于船載大功率發電機。船載大功率發電機通過甲板變頻升壓單元將380VAC/50Hz電壓變頻升壓至500-3000VAC/400Hz，這一升壓和變頻的過程是為了減少深拖纜上的功率損耗和變壓器的體積，然后經過萬米深拖纜進行長距離電力傳輸，最后將大功率電能輸送至承壓密封發射艙中的海底降壓單元。船載甲板監控單元通過萬米深拖纜中的光纖與海底的承壓密封電子控制艙內的通訊電路單元建立數據通信鏈接，進行數據和命令的交互。所述附屬配件包括高度計1、油壓平衡器、水下拖體定位信標和終端接線盒。所述高度計1與所述承壓密封電子控制艙相連，用于測量水下拖體距離海底的高度。所述水下拖體定位信標安裝于所述水下拖體內，利用聲學方法測量水下拖體在海底的實時精確位置，并發送至船載甲板監控單元。所述承壓密封發射艙內安裝有海底降壓單元、海底整流單元、大電流逆變裝置和隔離驅動保護電路，其原理示意圖如圖2所示。所述海底降壓單元采用適用于400Hz的變壓器繞制，分為兩個繞組，分別稱為主繞組和副繞組。主繞組三相輸出有效功率90KW，輸入輸出匝數比50:1，輸入參數為500-3000VAC/400Hz，輸入對應的端口為L1、L2和L3，輸入端口來自于終端接線盒，輸出參數為10-60VAC/400Hz，輸出電流最大1500A，對應的端口為L4、L5和L6，輸出的交流電供給至所述海底整流單元。副繞組單相輸出有效功率2KW，輸入輸出匝數比10:1，輸入參數為500-3000VAC/400Hz，對應的端口為L1和L2，輸出參數為50-300VAC/400Hz，對應的端口為L7和L8，輸出的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，包含船載部分和水下部分，所述兩部分通過萬米深拖纜相互連接，所述船載部分包括大功率發電機、變頻升壓單元和船載甲板監控單元，所述水下部分包括水下拖體、承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙、中性浮力超低阻抗發射天線和附屬配件，其中，所述水下拖體采用耐腐蝕的不銹鋼材料加工制作，其內部安裝有承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙和附屬配件；船載大功率發電機通過甲板變頻升壓單元將380VAC/50Hz電壓變頻升壓至500?3000VAC?/400Hz，然后經過萬米深拖纜將大功率電能輸送至承壓密封發射艙中；船載甲板監控單元通過萬米深拖纜中的光纖與海底的承壓密封電子控制艙建立數據通信鏈接，進行數據和命令的交互。

【技術特征摘要】
1.一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，包含船載部分和水下部分，所述兩部分通過萬米深拖纜相互連接，所述船載部分包括大功率發電機、變頻升壓單元和船載甲板監控單元，所述水下部分包括水下拖體、承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙、中性浮力超低阻抗發射天線和附屬配件，其中，所述水下拖體采用耐腐蝕的不銹鋼材料加工制作，其內部安裝有承壓密封發射艙、承壓密封電子控制艙和附屬配件；船載大功率發電機通過甲板變頻升壓單元將380VAC/50Hz電壓變頻升壓至500-3000VAC/400Hz，然后經過萬米深拖纜將大功率電能輸送至承壓密封發射艙中；船載甲板監控單元通過萬米深拖纜中的光纖與海底的承壓密封電子控制艙建立數據通信鏈接，進行數據和命令的交互。2.如權利要求1所述的一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，其特征在于：所述附屬配件包括高度計1、油壓平衡器、水下拖體定位信標和終端接線盒，所述高度計1與所述承壓密封電子控制艙相連，用于測量水下拖體距離海底的高度，所述水下拖體定位信標安裝于所述水下拖體內，利用聲學方法測量水下拖體在海底的實時精確位置，并發送至船載甲板監控單元。3.如權利要求1所述的一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，其特征在于：所述承壓密封發射艙內安裝有海底降壓單元、海底整流單元、大電流逆變裝置和隔離驅動保護電路，所述海底降壓單元采用適用于400Hz的變壓器繞制，分為主繞組和副繞組，主繞組三相輸出有效功率90KW，輸入輸出匝數比50:1，輸入參數為500-3000VAC/400Hz，輸出參數為10-60VAC/400Hz，輸出電流最大1500A，輸出的交流電供給至所述海底整流單元，副繞組單相輸出有效功率2KW，輸入輸出匝數比10:1，輸入參數為500-3000VAC/400Hz，輸出參數為50-300VAC/400Hz，輸出的交流電供給至所述承壓密封電子控制艙內的電路單元；所述海底整流單元利用大功率整流二極管、整流電容和吸收電阻將主繞組輸出的交流電進行全波整流，直流輸出對應的正極P和負極為N，然后將電能供給至所述大電流逆變裝置；所述大電流逆變裝置利用4塊大功率絕緣柵雙極型晶體管IGBT1-IGBT4將P和N端直流電逆變為方波交流電，所述大功率絕緣柵雙極型晶體管的4路驅動信號G1-G4來自于隔離驅動保護電路；從承壓密封電子控制艙輸入的電源+15V和GND，以及AB和BA控制信號經過所述隔離驅動保護電路變換為大功率絕緣柵雙極型晶體管的驅動信號G1-G4；所述隔離驅動保護電路根據大功率絕緣柵雙極型晶體管的狀態反饋錯誤報警信號Error給承壓密封艙電子控制艙；所述大電流逆變裝置的輸出端口A和B通過中性浮力超低阻抗發射天線向海水中激發輸出高達1500A的電流脈沖；所述大電流逆變裝置輸出信號CUR給承壓密封電子控制艙，用于測量所發射的電流大小；所述承壓密封電子控制艙內部采用副繞組輸出的電源進行供電及電池充電。4.如權利要求1所述的一種海洋可控源電磁大電流發射裝置，其特征在于：在所述承壓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王猛，鄧明，陳凱，張啟升，王姝湘，王琦琦，李顯成，
申請(專利權)人：中國地質大學北京，
類型：發明
國別省市：北京;11